西安市邓家村污水处理厂改造工程设计
0 概况
西安市邓家村污水处理厂始建于1956年，处理规模4万m3/d，经过1963年和1979年的两次扩建后，处理能力达到12万m3/d，并由一级物理处理提高到二级生物处理。接纳污水范围东起西安市环城西路，西至三桥皂河，南到大环河，汇集有130多家工厂的工业废水和近50万居民的生活污水，流域面积约2500 m2，处理后出水水质达到国家排放标准，在西安市城市环保建设中，发挥了举足轻重的作用。
该厂虽经两次扩建，但是限于当时技术设备条件，设备多为非污水处理工程专用设备。加之经过多年运转，设备严重老化、技术落后、故障频繁、能耗高、难以维持污水厂正常生产运转。因此，1994年西安市市政工程管理局结合近几年城市发展和排水规划调整，对污水厂提出改造方案，经改造后处理规模扩大到16万m3/d，污水、污泥处理工艺流程各为两条线。污水处理：中负荷系统采用传统活性污泥法工艺(处理水量6万m3/d)；深度处理系统采用A2/O活性污泥法+微絮凝过滤工艺(处理水量6万m3/d)；其余4万m3/d污水经一级处理后排放。
污泥处理：中负荷系统的污泥采用中温一级消化+机械脱水工艺；A2/O系统的污泥采用污泥不经消化仅浓缩后直接机械脱水工艺。
污水厂改造坚持充分利用现有建(构)筑物和厂内管道、道路，新建(构)筑物尽量利用厂区现有空地、不再新征土地的原则。
1 水质标准与工艺流程
综合可行性研究报告和污水厂1995年10月～1996年12月之间进厂水质分析报告，中、丹技术专家对本流域范围内的污水水质、水量、回用水水质、水量进行了综合性分析，确定了该厂设计规模和水质标准。
(1)进水水质(生活污水占30%，工业废水占70%)；BOD=275 mg/L COD=560 mg/L，SS=265 mg/L，TN=50 mg/L，TP=11.3 mg/L，NH3-N=33 mg/L。
(2)出水水质标准如表1所示。
表1 污水处理厂各处理工艺出水水质
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(3)污水处理工艺流程：西安市邓家村污水处理厂改造工程利用丹麦政府低息贷款，并从丹麦某公司引进主要设备和仪表。经改造后的污水及污泥处理工艺流程如图1所示。
图1 污水、污泥处理工艺流程
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2 主要构筑物及设备设计
污水处理厂主要新(设)建工艺系统及设备有格栅间、曝气沉砂池、A2/O工艺系统、回用水系统、中等负荷系统及污泥处理系统，现对具体各项设计选型详述如下：
2.1 一级处理系统
(1)粗格栅间。污水进入提升泵站之前，要通过现有两套背耙式粗格栅，格栅间隙为25 mm ，宽度1.5 m，栅渣由螺旋输送器和压渣泵送至地面。设计引进螺旋输送机长4.5 m，流量4 m3/d 1台，栅渣压送泵长1.6 m，流量3 m3/h，配电机功率1.55 kW 1台。粗格栅的运行是根据格栅前后水位差或时间来控制。
(2)污水提升泵房。污水提升泵房利用现有建筑物和部分设备。共计6台水泵，其中4台利用原有设备，单台流量为2 016 m3/h，2台为新更换设备，单台流量为2 020 m3/h，扬程1 3 m，4用2备。水泵的运转由集水井中的液位计来控制。
(3)细络栅间。为去除污水中漂浮物质，以保证后续处理构筑物正常运行，设计新增细格栅。细格栅间建在单管出水井与曝气沉砂池之间，长10.6 m，宽8.0 m共两层，一层为彭风机间(供沉砂池曝气用)和电气控制间，二层安装DN53型弧型格栅共5台，每台宽度1. 05 m，栅条间隙10 mm，自动清渣，配电机功率0.55 kW。另外，二层还设有事故平板格栅1 台，宽度1.5 m，手动清渣，间隙50 mm，无轴螺旋输送机1台，全长11.8 m，直径285 mm ，电机功率2.2 kW，除渣能力5 m3/d，用于将栅渣送出池外。格栅的运行由格栅前后水位差或时间来控制。
(4)曝气沉砂池。利用现有曝气沉砂池，拆除更换现有除砂、曝气设备。沉砂池1座2格，每格长24.0 m，宽3.3 m，有效水深3.3 m；水力停留时间：平均流量时6 min，高峰流量时4 min。沉砂池上设有长度6.4 m桥式除砂机1台，桥上配有淹没式吸砂泵2台，流量11.0 L/s，功率1.3 kW，将池底沉砂抽送入贮砂槽，经砂水分离器(0.75 kW)脱水后装槽车运出。沉砂池曝气采用气水比为0.1～0.2，引进BLS80型鼓风机2台，1用1备，额定风量668 m3/h，功率15 kW。
(5)初沉池配水井及计量设备。利用现有的初沉池配水井，污水经配水井后通过管道上安装的电磁流量计，进入初沉池。电磁流量计读数显示在污水厂SCADA系统中，记录每日最大、最小的流量及日流量、月流量和年流量。
(6)初次沉淀池。利用现有初次沉淀池，主要更换初沉池出水堰及集水槽，并对刮泥机进行大修检查，更换部分零件。初沉池共计2座，每座直径45 m，旱季流量时水力停留时为2. 5 h，高峰流量时停留时间为1.7 h。结合现有初沉池运行情况及污染物实际去除率，设计S S去除率为47.5%，BOD和COD去除为30%，NH3-N去除率为7%～10%，总磷去除率为15%。另外，改造后初沉池设置刮浮渣装置。
(7)曝气池配水井。设计新建1座曝气池配水井，来自初沉池的污水经此配水井后分为三条水线：一是进入A2/O生物处理系统(高峰时流量2500 m3/h，占总流量的31%)；二是进入新建中负荷生物处理系统(高峰时流量3500 m3/h，占总流量的44%)；三是经配水井后直接排放进入接纳水体(高峰时流量2000 m3/h，占总流量的25%)。配水井为地上式钢筋砼结构，平面尺寸为6.9 m×5.9 m，出水采用固定式溢流堰，其中进入A2/O系统堰长L1=3.0 m，进入中负荷系统堰长L2=2.4 m，直接排放堰长L3=1.5 m，堰上水头为0.16 m。
2.2 二级处理及回用水处理系统
2.2.1 A2/O及回用水处理系统
设计将现有曝气池改为A2/O处理工艺，该工艺包括预反硝化池(预反硝化回流污泥中的氮)、用于控制丝状菌生长的选择池以及增强生物除磷脱氮的内循环过程。为达到上述条件，现有曝气池需加高0.5 m，以满足工艺要求的停留时间和池体容积。A2/O处理工艺如图 2所示。
图2 A2/O处理工艺流程
设计曝气池分为平行两组，每组尺寸为：长×宽×水深＝50.0 m×6.0 m×(5.10～4.9 m)，其中；预反硝化池，每组容积为1350 m3，水深5.1 m；选择池每组容积为260 m3 ，水深5.05 m，厌氧池每组溶积为1330 m3，水深5.0 m；缺氧池每组容积为665 m3。水深4.95 m，好氧池每组容积为9770 m3，水深4.90 m，单组系列容积13375 m3 。设计水力停留时间为12.83 h，污泥负荷0.09 kgBOD/(kgMLSS·d)，MLSS浓度4000 mg/ L，污泥产率为0.78 kgSS/kgBOD，污泥龄为15.3 d，其中好氧泥龄为10.5 d。每组的预反硝化池、厌氧池、反硝化池分别设置水下搅拌器2台(每组共计6台)，配电机功率3.0 kW，选择池设置水下搅拌器2台，配电机功率1.5 kW。曝气池好氧廊道布置NOPON膜扩散微孔曝气头，并以递减方式安装，以适应不同的空气量需要，两组曝气池共安装KKR300型曝气头3000个。其中曝气池前半部分布设1760个，后半池为1240个。为了有效地控制A2/O系统的运行，每组设置RCP5036型淹没式混合液回流泵1台，流量1325 m3/h，配电机功率10 kW，内回流比为100%～125%。活性污泥回流系统设DN800电磁流量计1台，同时，两组反应池内还设置溶解氧测定仪4台，温度计2台，与中心控制室相连。控制系统可按池中溶解氧大小，自动调节风机风量，在配气管上设置Y型过滤器以降低曝气头维修工作量。
(2)A2/O系统终沉池。采用圆形辐流式沉淀池，共3座，每座直径36 m，池边水深4.8 m ，表面负荷0.82 m3/(m2·h)，水力停留时间为5.8 h，每座配1台长19.6 m半桥式刮泥机，功率为0.37 kW，桥式刮泥机连续运转，浮渣自动排除，回流污泥量最大为2500 m3 /h，回流比为80%～100%。
(3)A2/O系统污泥泵房。活性污泥回流与剩余污泥排放分别采用AFB2021.1和AFP0841 .1 型淹没式潜水泵各3台，每座终沉池两种型号的泵各1台，设计污泥泵房2座，分别建于终沉池之间，其中一座泵房宽4.0 m，长13.9 m，另外一座泵房宽4.0 m，长6.55 m，地下式钢筋砼结构。回流污泥泵流量450 m3/h，扬程6.0 m，剩余污泥泵流量40 m3/h，杨程6. 5 m，电机功率分别为11 kW和1.95 kW，当发生故障时淹没式潜水泵更换检修方便，污泥泵房设于地下，一般无需专人操作管理。
(4)A2/O系统终沉池药剂投加站。A2/O系统包括使用强化生物除磷，设计投加氯化铁以降低沉淀池出水中磷的浓度，由于氯化铁具有较好的絮凝作用，活性污泥在终沉池中将会更好的沉淀。药剂投加点设在终沉池配水井，选用R412型隔膜式药剂泵2台，1用1备，投加流量为0～550 L/h，扬程30 m，配电机功率为0.55 kW，药剂的投加量是按A2/O系统的进水量通过变频调速来控制。
(5)砂滤池提升泵站。A2/O系统终沉池出水经提升后进入砂滤池，泵站中设有溢流堰及事故出水管路，以防止停电或水泵机械故障，设计AFP3003.1型潜水泵3台(2用1备)，单台流量1325 m3/h，扬程8 m，电机功率为30kW，泵房为地下式钢筋砼结构，长10.0 m，宽7.0 m。
(6)砂滤池及反冲洗泵房。A2/O系统出水经砂滤池进行最终净化，设计砂滤池分为两组，共分12格，每格尺寸为5.5 m×4.35 m。滤料为单层，顶层为砂层，其它支持层为一定级配的砾石和碎石，滤料的组成如下：顶层厚1.20 m，砂层，粒径1.7～2.2 mm；第二层厚0.10 m，砾石，粒径3～5 mm；第三层厚0 .10 m，碎石，粒径5～8 mm；第四层厚0.10 m，碎石，粒径18～25 mm；第五层厚0.15 m ，碎石，粒径25～35 mm；合计总厚度1.65m。设计滤池采用气水反冲洗，主要设计参数：平均表面负荷9.5 m3/(m2·/h)，最高为1 0 m3/(m2·h)，气冲强度60 m3/(m2·h)水冲强度40 m3/(m2·h)。当砂滤池水位达到一定液位，反冲洗过程即开始，液位计传输必要的信号，每次只反冲洗一格，每格滤池每天反冲洗一次。设计反冲洗操作分为三个步骤：首先是气冲5～10 min，然后是大泵开启水反冲洗5～7 min，最后是气水联合反冲，其中气冲3～5 min，小泵水反冲洗5～7 min。反冲洗水经砂滤池后水流入反冲洗储水池，在满足反冲洗水量(最大25 000 m3/d)后，多余的水经溢流堰进入回用水蓄水池。反冲洗水池中安装一大一小潜水泵，其中大泵为AFP3003 型，流量为950 m3/h，扬程8 m，配电机功率30 kW；小泵为AFP1543型，流量为350 m3/ h，扬程8 m，配电机功率16 kW。另外设置BLS100型罗兹鼓风机2台，1用1备，风量为1 450 m3/h，风压为0.1 MPa。
(7)回用水蓄水池及加压泵房。由于厂地所限，蓄水池共设1座，分2格，单格平面尺寸为16 m×44 m，有效水深4.3 m，单格容积为3 000 m3，总容积6000 m3，占回用水系统处理水量的10%。蓄水池为地下式钢筋砼结构，池内设有液位变送器1台。加压泵房设计能力为6万m3/h，按照回用水管网要求，出厂压力为0.35MPa。泵房内设4台流量为864～1332 m3 /h，杨程为30～40 m，功率为160 kW离心泵，3用1备，均为变频调速控制。水泵的运行是通过管网压力和蓄水池内液位信号来控制，实现恒压供水。
(8)加氯系统。滤后水采用液氯进行消毒，投氯点设在蓄水池的进水处，投氯量按10 mg/L 设计。加氯间平面尺寸23.4 m×9 m，分为三大部分：氯瓶机间和值班室。加氯间位于滤池和蓄水池之间，离投氯点较近。加氯间、加氯间内设有Fx4800型真空加氯机2台(1用1备) 及其它相应附属设备，加氯量为40 kg/h。根据余氯信号和流量信号控制投氯量。氯瓶间设置漏氯报警仪，以确保工作人员安全和消除环境污染。
2.2 冲负荷处理系统
(1)中负荷系统曝气池。设计曝气池两组并列运行，主要用来去除BOD，不要求脱氮除磷，每组平面尺寸长×宽×水深＝65.0 m×9.7 m×4.9 m曝气池前端设置控制丝状菌生长的选择池，选择池容积260 m3，共2格，好氧曝气池每组容积为5715 m3，合计每组容积为5 975 m3，总容积为11 950 m3，水力停留时间为 5.75 h，污泥负荷0.20 kgBOD/(kgMLSS·d)，MLSS度3500 mg/L，污泥产率0.9 kgSS/kg BOD，污泥龄为6.5 d。选择池中设置水下搅拌器1台，配电机功率为22 kW。每组曝气池好氧廊道分2格，布置 YMB型微孔曝气器，并以递减方式安装以适应不同的空气量需要。两组曝气池共安装D215曝气头4 670个，60%安装在曝气池前半部分，配气管道上设置Y型过滤器共计24个。同时，两组曝气池中还设置溶解氧测定仪2台，温度计2台，可按池中溶解氧大小，调节鼓风机风量。
(2)中负荷系统终沉池。设计利用现有圆形周边进水周边出水沉淀池，共3座，每座直径为 36 m，池边水深4.6 m，表面负荷1.15 m3/(m2·h)，水力停留时间4.7 h。利用原有刮泥机，并进行大检修，更换刮泥机损坏零件以及更换出水堰等。终沉池排泥量可视池内污泥界面高度，调节锥形泥阀，使排泥量与产泥量相协调以保持沉淀池处于最佳工况。剩余污泥经污泥泵房排至初沉池，并与初沉污泥混合后共同沉淀。
(3)中负荷系统污泥泵房。利用现有污泥泵房的土建和集泥井并进行适当改造，污泥体积质量为7.5～8.0 g/L，污泥回流比例80%，泵房安装AFP3003.1型淹没式潜水泵3台(2用1备) ，流量为1050 m3/h，扬程为8 m；剩余污泥采用WQ70-12-5.5型淹没式潜水泵2台(1用1备)，流量为70 m3/h，扬程为12 m，配电机功率为5.5 kW。回流污泥泵的运行由集泥并中液位计控制，污泥泵每天自动切换，通常2台泵运行。剩余污泥泵按时间控制，每天总的运转时间设定在SCADAS系统中，每隔20 min一台泵运转，运转时间约10 min。
2.3 鼓风系统和污泥处理系统
2.3.1 鼓风系统
A2/O和中负荷系统共用的鼓风系统，利用现有鼓风机房及附属值班配电间。机房平面尺寸30 m×12 m，安装KA10V-GL210型离心风机共4台(其中A2/O系统2台，中负荷系统1台，另一台为两个系统共同备用)，风机具有连续可变输气量，单台输气量为4900～14000 m3/ h，风压0.06MPa，配电机动率为315 kW，风机可调节扩散叶片的角度，风量在35%～100%范围内变动，相应电机功率随之变化。每台风机自配控制器，根据曝气池中溶解氧计传输的信号，自动调节鼓风机进风叶片，相应调节输气量。整个系统有自动开停程序，也可手动选择操作。
2.3.2 污泥处理系统
(1)A2/O、中负荷污泥处理系统。污泥处理系统除污泥脱水机房及附属设备之外，均利用现有处理设施。其中A2/O系统污泥不经消化直接进入原有二次重力浓缩池，直径15 m，周边水深3.9 m，表面负荷为20 kgSS/(m2·d)，A2/O系统剩余污泥量为900 m3/d(7200 kg/d)，污泥含水率为99.2%，经直接浓缩后污泥含水率为97.5～98%，污泥量为320 m3/d。中负荷系统污泥需经浓缩-预热-消化过程。均利用原有处理设施，并适当维修更换。设计初沉池污泥量为14000 kgSS/d，中负荷剩余污泥量5300 kgSS/d，合计污泥量为19300 kgSS/d，污泥含水率按99%计，即污泥量1950 m3/d。经8座原有重力式浓缩池浓缩后，污泥含水率降低为95%～96%，相应污泥量为450 m3/d。污泥消化池共计6座，其中直径14.0 m，高10.75 m，4座，总体积为4×1300 m3；直径20 m，高12.8 m，2座，总体积为2×3450 m3。污泥消化温度控制在33～35℃，停留时间为27 d，沼气产量为6000～6500 m3/d。
(2)污泥脱水机房。A2/O和中负荷系统污泥各自进入不同的污泥均质池，然后分别进入污泥脱水机进行机械脱水。利用现有污泥脱水机房和附属值班、配电间等。机房平面尺寸为65m×15 m，安装KD10型带式压滤机2台(1用1备)，每台带宽2 m，处理能力为16～21 m3/h ；国产WKYQA-2型带式压滤机2台，带宽2 m，单台能力15～18 m3/h，脱水后污泥含水率小于80%。脱水机房两班制工作，脱水泥饼约140 m3/d。其它附属设备包括：A2/O系统10-6 L型螺杆泵3台 (2用1备)，流量为15.5 m3/h，电机功率4 kW，CR8-80型反冲洗泵3台(2用1备)流量为103/h，扬程60 m，电机功率3.0 kW。中负荷系统NM053.1S型螺杆泵3台，流量为15.5 m3 /h，电机功率3 kW;反冲洗泵3台(2用1备)，流量8.0 m3/h，扬程为69 m，电机功率3 kW；SV3型自动聚合物投加设备2套，投加量为3～5 kg/TSS;Φ285型无轴螺旋输送机4台长度10 m，分别与压滤机配套。药剂制备与投加、进泥、脱水、出泥和清洗等过程均可实施自控联动操作。
3 结语
(1)西安市邓家村污水处理厂改造工程为贷款项目，其国外贷款主要用于购置设备和仪表。为了发挥其工程投资效益，设备引进方案应结合工艺需要和贷款国的技术优势，重视降低能耗和处理成本。
(2)按要求确定不同工艺流程。邓家村污水厂改造工程设计按照污水回用与二级生物处理不同要求，结合污水厂现有可利用的厂地，设计在工艺方案比较的基础上，采用了技术成熟、处理效果稳定、适应性强的A2/O系统(脱氮、除磷)和中负荷系统，使污水厂的出水水质能够满足不同目的要求。在污泥处理上，A2/O系统设计采用了直接浓缩脱水的工艺流程，以有限的资金着重在"水"的深度处理上下功夫，中负荷系统利用现有污泥处理设施(即浓缩-预热-消化)，基建投资重点突出。脱水后的污泥与城市垃圾一并填埋或堆肥。
(3)自控检测设计原则符合国情。改造工程结合污水厂现状，自控系统设计以集中监测、分散控制的原则，中心控制室可对全厂的各工况实现监控。PLC系统设计是由中心监控计算机及7个现场PLC子站组成集散型控制系统，现场PLC子站可显示局部工艺流程图。自控设备本着合理、实用、可靠性高，符合国情和水处理特点的原则。引进国外先进的污水处理设备和控制仪表。
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